Tesis:
Modelizado en caja negra de convertidores electrónicos de potencia para aplicaciones en microrredes de corriente alterna
- Autor: GUARDERAS BURBANO, Galo Fernando
- Título: Modelizado en caja negra de convertidores electrónicos de potencia para aplicaciones en microrredes de corriente alterna
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/57769/
- Director/a 1º: UCEDA ANTOLÍN, Javier
- Resumen: La ventaja de poseer información real, objetiva y precisa del comportamiento de cualquier sistema frente a diferentes situaciones o escenarios, es clave para poder predecir y controlar situaciones no deseadas que puedan ocasionar un funcionamiento inadecuado de dichos sistemas. En especial, cuando se presentan eventos críticos difíciles de controlar y por lo tanto, caso de predecirse, se pueden evitar sus consecuencias. Los sistemas de generación y gestión de energía eléctrica no son la excepción, de hecho, son de los sistemas más críticos en la medida que la mayoría de las actividades humanas dependen de la electricidad y son desarrolladas mediante sistemas electrónicos, motores y generadores eléctricos. Por las razones anteriormente apuntadas resulta imprescindible disponer de modelos cada vez más precisos del comportamiento real de sistemas eléctricos y electrónicos. El enfoque de este trabajo busca desarrollar un método de modelizado que permita predecir el comportamiento de sistemas eléctricos complejos, lineales y no lineales en caja negra, es decir, sin necesidad de conocer en detalle su estructura interna, simplemente empleando la información disponible en sus entradas y salidas. De forma más específica, en este trabajo se desarrollan modelos que permitan diagnosticar y predecir el comportamiento de sistemas de generación eléctrica con un alto grado de aleatoriedad como son los que aprovechan como recurso primario de energía la radiación solar, la fuerza de empuje del viento y del agua y otras, consideradas como fuentes renovables. Actualmente este tipo de generadores han logrado posicionarse como un recurso fundamental de generación eléctrica mundialmente reconocido y utilizado en el diseño y concepción de las infraestructuras eléctricas, no sólo como soluciones óptimas para generar, transportar y distribuir energía eléctrica, sino que además, son la mejor alternativa para enfrentar el problema de la contaminación ambiental producido por la generación de gases de efecto in vernadero y, por lo tanto, contribuir a frenar el calentamiento global. Por otro lado, la generación y distribución de energía eléctrica en localidades urbanas y rurales no son exclusivas, es decir, existen otras infraestructuras que también necesitan autogenerar energía para su operación, en especial, medios de transporte masivo de personas y bienes, como son navios, aviones y otros sistemas aislados que también entran dentro de este enfoque. Por lo tanto, para su diseño y la predicción de su comportamiento frente a situaciones rutinarias y eventualidades críticas es importante contemplar métodos que permitan obtener modelos muy aproximados al comportamiento real para garantizar la protección de personal e instalaciones, disminución de gastos en equipos de protección para sobretensiones y caídas de tensión, así como también para generar diagnósticos que permitan evaluar el comportamiento del sistema frente a eventualidades no programadas. Dentro de este contexto, la abundancia de fabricantes de convertidores electrónicos de potencia (CEP), (Electronics Power Converter EPC), por sus siglas en inglés, presentan un gran reto para el modelizado de estos elementos, además la poca o nula información proporcionada sobre su comportamiento dinámico obligan a generar modelos óptimos, sin importar el conocimiento exacto de sus partes, aunque es importante tener un conocimiento cabal de la teoría de construcción y funcionamiento de los EPCs. El enfoque de esta tesis es el modelizado de convertidores electrónicos de potencia CEP CC/CA como elementos clave de las microfuentes o Generadores Distribuidos (GD) con capacidad de conectarse o no a la red. Una microrred puede operar en modo isla esto implica que genera y distribuye la potencia eléctrica a cargas locales, pero también puede trabajar conectado a una red de potencia muy superior, o conmutar entre ambos tipos de conexión, dependiendo de las circunstancias. Los modelos deben predecir el comportamiento en cualquier modo de operación y en las transiciones entre ellos. Además el comportamiento de los CEP es frecuentemente no lineal con puntos de operación muy variables, lo que sin duda añade una mayor complejidad al problema. La tesis está organizada de la siguiente manera: En el capítulo I, se describen las microrredes, su arquitectura, controles, modos de operación y otras características generales, además se describe los tipos de modelos que vamos a abordar en este estudio con especial atención a los modelos en caja negra. Terminamos el capítulo con una explicación de los métodos de identificación de sistemas utilizados. En el capítulo II, se describe el estado de la técnica de los CEP empleados en microrredes de corriente alterna, considerando los modos de operación en isla y conectados a la red. En el capítulo III, lo dedicamos al estudio de los modelos, objeto central de este trabajo de tesis y al proceso para su generación. De forma más específica, se estudian los modelos de los convertidores electrónicos de potencia, operando en modo Grid-feeding o en modo Grid-supporting. En el capítulo IV, presentamos el proceso de sistematización del proceso de modelizado, desde la toma de datos hasta la validación del modelo no lineal. En el capítulo V, las conclusiones y finalmente hacemos un compendio de las tareas adicionales que bajo nuestro criterio pueden ser materia para desarrollar futuros trabajos de investigación. ----------ABSTRACT---------- The advantage of having real, objective and accurate information on the behavior of any system in the face of different situations or scenarios is key to being able to predict and control unwanted situations that may cause improper operation of these systems, especially when critical events happen, difficult to control and therefore, its consequences can be avoided. Electricity generation and management systems are no exception, in fact, they are the most critical systems to the extent that most human activities depend on electricity and are developed using electronic systems, motors and electric generators. For the reasons mentioned above, it is essential to have more and more precise models of the real behavior of electrical and electronic systems. The focus of this work seeks to develop a modeling method that allows predicting the behavior of complex, linear and non-linear electrical systems in a black box, that is, without needing to know in detail its internal structure, simply using the information available at its inputs and outputs. More specifically, in this work, models are developed that allow diagnosing and predicting the behavior of power generation systems with a high degree of randomness, such as those that take advantage of solar radiation, the force of wind thrust as primary energy resource and of water and others, considered as renewable sources. Currently these types of generators have managed to position themselves as a fundamental resource of power generation worldwide recognized and used in the design and conception of electrical infrastructures not only as optimal solutions for generating, transporting and distributing electrical energy, but also, they are the best alternative to address the problem of environmental pollution caused by the generation of greenhouse gases and therefore contribute to curb global warming. On the other hand, the generation and distribution of electric energy in urban and rural locations are not exclusive, that is, there are other infrastructures that also need to generate energy for their operation, especially means of mass transportation of people and goods, such as ships, airplanes and other isolated systems that also fall within this approach. Therefore, for their design and prediction of their behavior in the face of routine situations and critical eventualities it is important to contemplate methods that allow to obtain models very close to the real behavior in order to, among other important things, protection of personnel and facilities, decrease of expenses in protective equipment for surges and voltage drops, as well as to generate diagnoses that allow to evaluate the behavior of the system against unscheduled eventualities. Within this context the abundance of manufacturers of Electronics Power Converters - (EPC), implies a large number of them present in the market, their use then in different power generation systems present a great challenge for the modeling of these elements, also insufficient or no information provided on their dynamic behavior forces to generate optimal models, regardless of the exact knowledge of their parts, although it is important to have a thorough knowledge of the theory of construction and operation of the EPCs. The focus of this thesis is the modeling of the EPC DC/AC as key elements of the microsources or Distributed Generators (DG) with the ability to connect or not to the network. A microgrid can operate in island mode, which implies that it generates and distributes the electrical power to local loads, but it can also work connected to a much higher power network, or switch between both types of connection, depending on the circumstances. Models must predict behavior in any mode of operation and in the transitions between them. In addition, the behavior of EPCs is often non-linear with very variable operating points, which undoubtedly adds greater complexity to the problem. The thesis is organized as follows: In Chapter I, the microgrids, their architecture, controls, modes of operation and other general characteristics are described, in addition to describing the types of models that we will address in this study with special attention to the black box model. We finish the chapter with an explanation of the methods of identification of systems used. Chapter I I describes the state of the art of the EPCs used in AC microgrids, considering the modes of operation on the island and connected to the network. In Chapter I I I , we dedicate it to the study of the models, central object of this thesis work and the process for its generation, in a more specific way the models of the electronic power converters are studied, operating in Grid-Feeding mode or in Grid-Supporting mode. In chapter IV, we present the process of systematization of the modeling process, from the data collection to the validation of the non-linear model. In Chapter V, the conclusions and finally we summarize the additional tasks that, in our opinion, may be subject to develop future research.